JP3630076B2 - 弁装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は弁装置に関し、詳しくは、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関の燃料噴射システムに好適に使用される弁装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料噴射ポンプのスピル弁、流量調整弁等、燃料の流入・流出を制御するために用いられる弁装置は、一般に、弁部材がバルブボデー内を摺動してテーパ状のシート部に着座することにより燃料流路を遮断する構成を有している。ところが、潤滑油等と異なり、燃料は潤滑性に乏しいため、開閉を繰り返すことによって、弁部材またはシート部に焼付きや磨耗等が生じるおそれがある。そこで、従来より、摺動部材である弁部材には、焼付きや磨耗等に対して耐力のある材料、例えば、SKH51焼入焼戻し材が使用されている。シート部を有し形状が複雑になりやすいバルブボデーには、通常、加工性の良好なSCr415浸炭材が使用される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
弁部材を構成するSKH51焼入焼戻し材は、マトリックスに硬質粒子を分散させた高硬度鋼であり、弁部材自身の磨耗防止には大きな効果がある。しかしながら、装置構成によっては、潤滑性が悪化する低速高負荷運転時において、相手材であるシート部を磨耗させることが判明した。この不具合は、例えば、弁部材の回転方向の移動が規制されていない構成において生じ、閉弁時に弁部材がシート部に対し略垂直方向からの衝突と回転方向の滑りを繰り返すことが原因と考えられている。この対策としては、例えば、バルブボデーの材質をより高硬度なものに変更することが、容易に考えられるが、バルブボデーの加工性が低下するため、コストが増大する問題がある。
【0004】
そこで、本発明者等は、燃料噴射システムのように潤滑性の低い流体の流入・流出を制御するために用いられる弁装置の材質について再検討を行った。すなわち、本発明の目的は、弁部材またはバルブボデーに焼付きや磨耗等が生じることがなく、しかも製作が容易で経済性に優れる弁装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1の弁装置は、バルブボデーを、マルテンサイト組織を有する鋼で構成するとともに、このバルブボデー内を摺動して流体流路を開閉する弁部材を、マルテンサイト組織を有するマトリックス中に硬質粒子が分散し、かつ、上記マトリックスと上記硬質粒子との硬度(Hv:ビッカース硬度)の差が1000以下である鋼で構成する。
【0006】
従来構成におけるバルブボデーの磨耗は、弁部材が垂直運動してシート部に衝突する際に、弁部材を構成するSKH51焼入焼戻し材のマトリックスが変形もしくは磨耗し、その結果、粗大な硬質粒子が浮き出てシート部を削ることにより生じると考えられる。これに対し、本発明の弁部材は、マトリックスと硬質粒子の硬度差がHv:1000以下と小さいので、衝突によってマトリックスのみが選択的に変形もしくは磨耗するのを防止する。よって、硬質粒子を分散させることにより弁部材の硬度を高くし、しかも硬質粒子が表面から突出してバルブボデーを削るのを防止できる。また、バルブボデーは硬質のマルテンサイト組織とすれば、十分な硬度が得られ、硬質粒子を含まないので加工性も良好である。よって、本発明によれば、弁装置の作動に伴う焼付きや磨耗を防止し、耐久性、経済性に優れる弁装置を実現できる。
【0007】
請求項2のように、上記硬質粒子には、平均粒径が3μm以下である炭化物粒子が好適に使用される。平均粒径が小さいと硬質粒子が突出、脱落しにくくなり、また、露出した硬質粒子による相手材の研削が抑制され、磨耗を低減する効果が高い。
【0008】
請求項3のように、好適には、上記バルブボデーを、低炭素合金鋼・浸炭材または低炭素鋼・浸炭窒化材で構成し、上記弁部材を、高炭素クロム鋼・焼入焼戻し材で構成する。具体的には、請求項4のように、上記バルブボデーとなる低炭素合金鋼・浸炭材としてSCr415浸炭材、SCM420浸炭材が、低炭素鋼・浸炭窒化材としてS10C浸炭窒化材がある。また、上記弁部材となる高炭素クロム鋼・焼入焼戻し材には、SUJ1焼入焼戻し材またはSUJ2焼入焼戻し材がある。
【0009】
請求項5のように、上記バルブボデーは、詳しくは、上記弁部材が摺動するガイド穴と、上記弁部材が着座して上記流体流路を遮断するシート部を有する。この時、上記弁部材の材質を上記各請求項のようにすると、上記弁部材の摺動に伴う上記シート部表面の磨耗を効果的に防止することができる。
【0010】
請求項6では、上記弁部材を駆動部にて電気的に駆動する構成とする。このように上記弁部材を電気的に駆動される構成であると、閉弁時に上記バルブボデーの受ける衝撃が大きくなりやすく、また、滑りが生じて磨耗が起こりやすい。よって、本発明を適用することにより磨耗を防止する効果が大きい。
【0011】
請求項7の構成では、本発明の弁装置を、燃料噴射システムにおいて燃料の流入・流出を制御するために用いる。一般に、燃料は潤滑性に乏しく、焼付きや磨耗が生じやすいので、本発明を適用する効果が大きい。具体的には、請求項8のように、分配型燃料ポンプのスピル弁に用いられ、焼付きや磨耗を防止して、耐久性を大きく向上させることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図1(a)は、本発明を適用した車両ディーゼルエンジンの分配型燃料噴射ポンプの全体構成を示すもので、本発明の弁装置はスピル弁1として用いられる。スピル弁1は、下半部をバルブ部2、上半部をバルブ部2を開閉駆動する電磁駆動部3とし、図略の制御回路からの指令に基づいてバルブ部2の開閉時期を制御することにより、ポンプからエンジンの各気筒へ噴射される軽油燃料の噴射量を調整する。
【0013】
バルブ部2は、筒状のバルブボデー21内をガイド穴22として、弁部材となるニードル23を摺動および回動可能に配設してなる。ニードル23の小径とした中間部周りには環状流路25が形成され、バルブボデー21側壁を貫通する流路28を介して外部の燃料排出路に連通している。環状流路25の上方には、ガイド穴22内周を切り欠いて環状流路24が形成され、ポンプ本体4内の燃料排出流路41に連通している。環状流路24と環状流路25の間には、図1(b)に詳細を示すように、逆テーパ状のシート部26が形成され、ここにニードル23外周縁の逆テーパ状の弁部23aが着座してこれを閉鎖するようになしてある。
【0014】
ニードル23の上面には軸部材31が固定されて、上方の電磁駆動部3内に延びており、軸部材31の上端には円板状のアーマチャ32が固定されて、コイル33に対向している。ニードル23の下方にはスプリング部材27が配設されてニードル23を開弁方向に付勢しており、コイル33に通電しない通常状態では、スピル弁1は開弁している。コイル33に通電すると、アーマチャ32が下方に吸引され、これと一体のニードル23が下降して閉弁する(図示の状態)。分配型ポンプでは、カムのリフトに合わせてスピル弁1を閉弁し、ポンプ本体4内の燃料排出流路41を閉鎖して燃料を加圧、圧送する。次いで、スピル弁1を開弁すると、燃料排出流路41が外部の燃料排出路に連通し、噴射が終了する。従って、スピル弁1の開弁時期を制御することにより、噴射量の調整が可能となる。
【0015】
この燃料噴射時に、ニードル23は、0.4〜1msの時間で開閉する。その閉弁動作に注目すると、ニードル23が閉弁する時には、まず、シート部26に1.2m/sの高速度で略垂直方向から衝突し、さらに側面のギャップ(およそ5〜10μm)分だけ滑りが発生することが判った。従来構成においてシート部に磨耗が生じる問題は、この略垂直方向の衝撃的な力と滑りによって生じると考えられる。
【0016】
そこで、本発明では、バルブボデーの磨耗を抑えるために、ニードル23を、マルテンサイト組織を有するマトリックス中に硬質粒子が分散する鋼で、かつ、マトリックスと硬質粒子の硬度差がビッカース硬度(Hv)で1000以下である材料で構成する。マトリックスのマルテンサイト組織は、通常、硬度(Hv)が約400〜1100程度の硬質材であり、これに硬質粒子を分散させることにより、さらに硬度を高めることができる。ただし、マトリックスと硬質粒子の硬度差が大きいと、シート部26に衝突した時にマトリックスが選択的に変形、磨耗して硬質粒子が露出、脱落しやすくなるので、両者の硬度(Hv)差が1000を越えないようにする必要がある。
【0017】
マトリックスに分散させる硬質粒子としては、硬質の金属炭化物の粒子が挙げられ、具体的には、Cr、Fe、Mo等を1種ないし2種以上含む炭化物の粒子が好適に用いられる。これら硬質粒子の硬度(Hv)は、図2に示すように、組成によって異なるが、大体1000〜2000程度の範囲にあり、マトリックスの硬度(Hv)に応じて適宜選択することで、硬度差をHv:1000以下とすることができる。また、硬質粒子の粒径が大きいと露出や脱落が生じやすくなり、露出した粒子によりシート部26の磨耗が生じやすくなるので、好ましくは、平均粒径が3μm以下、より好ましくは平均粒径が1μm以下となるようにするとよい。
【0018】
上記条件を満足する材料としては、例えば、SUJ1焼入焼戻し材またはSUJ2焼入焼戻し材等の高炭素クロム鋼軸受鋼・焼入焼戻し材が挙げられる。例えば、SUJ2焼入焼戻し材は、C、Crを含むマルテンサイト組織のマトリックスと、炭化物粒子〔(Cr 、Fe)23C6 、平均粒径:約0.8μm〕の組み合わせからなり、図2に示すように、マトリックスの硬度(Hv)が約700前後、炭化物粒子〔(Cr 、Fe)23C6 〕の硬度(Hv)は約1100〜1500程度であるので、上記した硬度差Hv:1000以下の条件を満足している。
【0019】
なお、図2において、従来材であるSKH51焼入焼戻し材が含有する硬質炭化物(W、Moの炭化物)は、硬度(Hv:約1800〜3200)が高く、マトリックス硬度(Hv:約700)との硬度差が、本発明で規定するHv:1000を超えている。
【0020】
一方、シート部26が形成されるバルブボデー21の材質としては、硬質のマルテンサイト組織を有する鋼が用いられ、具体的には、SCr415浸炭材、SCM420浸炭材等の低炭素合金鋼・浸炭材や、S10C浸炭窒化材等の低炭素鋼・浸炭窒化材等が挙げられる。これら材料は、加工性が良好であるので、形状が複雑なバルブボデー21材として好適で、製作コスト低減に有効である。
【0021】
本発明によれば、ニードル23材として上記のような材料を用いることにより、シート部26の材質にかかわらず、その磨耗を抑制することが可能となる。また、炭化物粒子を含むことにより十分高い硬度を有するので、ニードル23材自身の磨耗も抑制され、耐久性を大幅に向上させることができる。
【0022】
【実施例】
次に、本発明の効果を確認するために、上記図1に示した構成のスピル弁1を実際に製作し、燃料噴射ポンプに組み込んで、実機試験を行った。スピル弁1の材質は、ニードル23材をSUJ2焼入焼戻し材、バルブボデー21材をSCr415浸炭材とした(実施例1)。また、比較のため、ニードル23材を従来材であるSKH51焼入焼戻し材とし、バルブボデー21材をSCr415浸炭材としたスピル弁1を製作した(比較例1)。SUJ2焼入焼戻し材、SCr415浸炭材、SCr415浸炭材の組成を表1に示す。
【0023】
【表1】
【0024】
これら実施例1、比較例1のスピル弁1につき、潤滑性の低い低速高負荷条件で、バルブボデー21の磨耗耐久試験を行った。試験条件は、以下の通りとした。
燃料:灯油
ポンプ回転数:300〜500rpmの間で変動
噴射量:100mm3 /ストローク
噴射時間:100時間
【0025】
その結果、比較例1のスピル弁1は、バルブボデー21のシート部26表面において、磨耗量が30μmであったのに比べ、実施例1のスピル弁1では、シート部26表面の磨耗量が0μmと著しく改善された。このように、本発明によれば、バルブボデー21の材質を変更することなく、シート部26表面の磨耗を防止する明らかな効果が得られる。そのメカニズムを、以下に示す。図3、4は、比較例1、実施例1における、磨耗耐久試験時のニードル23とシート部26の表面観察結果を示す模式図である。図3の比較例1の場合、まず、ニードル23がシート部26に衝突する際、ニードル23材を構成するSKH51焼入焼戻し材のマトリックスが選択的に磨耗もしくは変形して、SKH51焼入焼戻し材内の粗大な硬質炭化物(W、Moの炭化物:Hv=1800〜3200、平均粒径:4〜10μm)が突出もしくは脱落した状態になる(図3(a))。そして、この突出する粗大な硬質炭化物が、続く回転方向の滑りによって、硬質炭化物がシート部26表面を研削し、磨耗を生じさせることが分かった(図3(b))。
【0026】
つまり、比較例1では、硬質炭化物が、ニードル23のマトリックスおよびシート部26材に対して非常に硬質かつ粗大であるため、相対的な垂直運動による衝撃と回転方向の滑りの繰り返しによって表面に露出し、相手材を研削磨耗させると推測される。これに対し、実施例1では、図4(a)、(b)の表面観察結果に見られるように、マトリックスの選択的な磨耗や変形、これに伴う硬質炭化物の突出もしくは脱落が見られず、シート部26表面に磨耗が発生していない。これは、ニードル23の硬質炭化物とマトリックスの硬度差が比較的小さく、マトリックスのみが選択的に磨耗、変形しないこと、さらに、硬質炭化物が微細で、表面に露出しても相手材であるシート部26表面に加わる面圧が小さく、研削作用が生じないことによるものと考えられる。
【0027】
上記図1に示した第1の実施の形態では、ニードルが回動可能に設けられることによって、滑りが発生し、磨耗が生じる構成について説明したが、ニードルがシート面に対して回動不可能となるように、例えばピン等によって規制された構成であっても、わずかなガタが生じているために着座時にニードルの回動が生じることがある。このような構成においても、本発明を適用することにより、磨耗を防止する同様の効果が得られる。
【0028】
なお、第1の実施の形態では、燃料噴射ポンプのスピル弁に本発明を適用した例について説明したが、本発明は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関の燃料噴射システムに使用される弁装置、例えば、減圧弁、流量調整弁、燃料噴射弁等のいずれに適用してもよく、同様の効果が得られる。また、弁装置の駆動部は、第1の実施の形態の電磁駆動部の他、ピエゾ式の駆動部等、電気的に弁部材を駆動する構成であればいずれを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明をスピル弁に適用したディーゼルエンジンの分配型燃料噴射ポンプの全体構成図である。
【図2】炭化物粒子の組成と硬度の関係を示す図である。
【図3】(a)、(b)は従来の構成における磨耗の発生のメカニズムを説明するためのニードルとシート部表面の模式図である。
【図4】(a)、(b)は本発明の構成における効果を説明するためのニードルとシート部表面の模式図である。
【符号の説明】
1 スピル弁(弁装置)
2 バルブ部
21 バルブボデー
22 ガイド穴
23 ニードル(弁部材)
26 シート部
3 電磁駆動部(駆動部)
Claims (8)
- バルブボデー内を摺動して流体流路を開閉する弁部材を有する弁装置において、上記バルブボデーを、マルテンサイト組織を有する鋼で構成し、上記弁部材を、マルテンサイト組織を有するマトリックス中に硬質粒子が分散し、かつ、上記マトリックスと上記硬質粒子の硬度(Hv:ビッカース硬度)差が1000以下である鋼で構成することを特徴とする弁装置。
- 上記硬質粒子が炭化物粒子からなり、その平均粒径が3μm以下である請求項1記載の弁装置。
- 上記バルブボデーが、低炭素合金鋼・浸炭材または低炭素鋼・浸炭窒化材からなり、上記弁部材が、高炭素クロム鋼軸受鋼・焼入焼戻し材からなる請求項2記載の弁装置。
- 上記バルブボデーが、SCr415浸炭材、SCM420浸炭材またはS10C浸炭窒化材からなり、上記弁部材が、SUJ1焼入焼戻し材またはSUJ2焼入焼戻し材からなる請求項3記載の弁装置。
- 上記バルブボデーが、上記弁部材が摺動するガイド穴と、上記弁部材が着座して上記流体流路を遮断するシート部を有している請求項1ないし4のいずれか記載の弁装置。
- 上記弁部材を電気的に駆動する駆動部を有する請求項1ないし5のいずれか記載の弁装置。
- 燃料噴射システムにおいて燃料の流入・流出を制御するために用いられる請求項1ないし6のいずれか記載の弁装置。
- 分配型燃料ポンプのスピル弁に用いられる請求項7記載の弁装置。
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